Los investigadores han desarrollado un catalizador derivado de residuos de plantas renovables que muestra un gran potencial para acelerar la producción de hidrógeno limpio. El material se produce incrustando nanopartículas de óxido de níquel y óxido de hierro en fibras de carbono hechas de lignina, creando una estructura que mejora tanto la eficiencia como la estabilidad durante la reacción de desprendimiento de oxígeno, una parte importante de la electrólisis del agua.
Investigación, publicada Biocarbón Xinformaron que el catalizador alcanzó un sobrepotencial bajo de 250 mV a 10 mA cm² y permaneció muy estable durante más de 50 h cuando operaba a densidades de corriente más altas. Estos niveles de rendimiento apuntan a una alternativa viable y de bajo costo a los catalizadores de metales preciosos comúnmente utilizados en la división de agua a gran escala.
“La evolución del oxígeno es uno de los mayores obstáculos para la producción eficiente de hidrógeno”, dijo el autor correspondiente Yanlin Qin de la Universidad Tecnológica de Guangdong. “Nuestro trabajo muestra que un catalizador elaborado a partir de lignina, un subproducto de bajo costo de las industrias del papel y la biorrefinería, puede proporcionar una alta actividad y una estabilidad excepcional. Ofrece una ruta más ecológica y económica hacia la producción de hidrógeno a gran escala”.
Conversión de lignina en una estructura de carbono funcional
La lignina es uno de los polímeros naturales más abundantes, pero a menudo se quema para obtener un retorno energético mínimo. En este trabajo, el equipo convirtió la lignina en fibra de carbono mediante electrohilado y tratamiento térmico. Estas fibras actúan como conductor y estructura de soporte para las partículas de óxido metálico. El catalizador resultante, conocido como NiO/Fe3O4@LCF, contiene fibras de carbono dopadas con nitrógeno que proporcionan un transporte rápido de carga, una gran superficie y una fuerte estabilidad estructural.
La microscopía reveló que los óxidos de níquel y hierro forman una heterounión a nanoescala dentro de la estructura de la fibra de carbono. Esta interfaz juega un papel central en la reacción de evolución de oxígeno al facilitar la unión y disociación de moléculas intermedias a velocidades óptimas. Unir estos óxidos metálicos a una red de carbono conductora mejora la movilidad de los electrones y evita que las partículas se aglomeren, un problema frecuente en los catalizadores de metales base convencionales.
Actividad verificada mediante pruebas avanzadas
Las mediciones electroquímicas mostraron que el material funcionó mejor que los catalizadores que contienen un solo metal, especialmente en las condiciones de alta corriente requeridas para los sistemas de electrólisis del mundo real. El catalizador también exhibe una pendiente de Tafel de 138 mV por década, lo que indica una cinética de reacción más rápida. Evidencia adicional procedente de espectroscopia Raman in situ y cálculos de la teoría funcional de la densidad respalda el mecanismo propuesto, lo que confirma que la interfaz diseñada impulsa eficientemente la evolución del oxígeno.
Diseño escalable utilizando biomasa ampliamente disponible
“Nuestro objetivo era desarrollar un catalizador que no sólo funcione bien sino que también sea escalable y esté integrado en materiales duraderos”, dijo el coautor Jueqing Qiu. “Dado que la lignina se produce en grandes cantidades en todo el mundo, este enfoque proporciona un camino realista hacia una tecnología de producción de hidrógeno industrial verde”.
Los resultados subrayan el valor creciente de los materiales derivados de la biomasa en aplicaciones de conversión de energía. La combinación de soportes de carbono renovable con interfaces de óxido metálico cuidadosamente diseñadas se alinea con los esfuerzos globales para desarrollar tecnologías de energía limpia de bajo costo y respetuosas con el medio ambiente.
Los investigadores observaron que este método se puede adaptar a diferentes composiciones de metales y reacciones catalíticas, lo que abre nuevas oportunidades para diseñar electrocatalizadores de próxima generación basados en abundantes recursos naturales.
